Сколько весит воздух и какова высота атмосферы


Когда мы поднимаем наполненное водою ведро, то сразу чувствуем его большую тяжесть. Подняв ведро без воды, мы ощущаем только тяжесть самого сосуда. Но это ведро ведь не пустое, оно наполнено воздухом; стало быть, сам воздух не имеет никакого веса? Может быть, воздух в ведре ничего не весит потому, что уходит из открытого ведра. Возьмем бурдюк или бычий пузырь, наполним его воздухом, завяжем и попробуем взвесить, а затем выдавим из него воздух и снова взвесим. Окажется, что показания весов оба раза будут одинаковыми, быть, действительно, воздух ничего не весит и это можно считать доказанным? Вместе с тем, если согласиться с отсутствием веса воздуха, то многие явления покажутся непонятными.

 Трубка Торричелли. Атмосферное давление на поверхность ртути в открытой чашке уравновешивает давление ртутного столба в трубке, и ртуть из нее не выливается

Трубка Торричелли. Атмосферное давление на поверхность ртути в открытой чашке уравновешивает давление ртутного столба в трубке, и ртуть из нее не выливается

Почему, например, медицинские банки втягивают кожу человека. Почему, если мы наполним водой стакан с хорошо пришлифованными краями точно по эти края и накроем его бумажкой, а затем быстро перевернем стакан, то вода из стакана не выльется? Почему действует насос, перекачивающий воду снизу вверх?

Все эти явления казались долгое время необъяснимыми, но насос же и позволил открыть истину.

В поисках объяснения обратились к знаменитому ученому Галилею, тогда 80-летнему старцу. До нас дошли два варианта дальнейших событий. По первому из них Галилей будто бы смутился и не знал, что ответить. По второму варианту Галилей взвесил «пустую» бутылку, затем сильно разогрел ее, закрыл пробкой и, охладив, взвесил вторично. Оказалось, что на этот раз бутылка весила меньше.Сохранились сведения, что в XVII веке в саду герцога Тосканско во Флоренции построили насос, чтобы перекачивать воду для фонтана на высоту больше 10 метров, но это никак не удавалось. Насос был сделан так же хорошо, как и все другие, прекрасно работавшие, и поэтому неудача с ним казалась совершенно непонятной.

Галилей правильно объяснил уменьшение веса бутылки, указав, что при нагревании воздух расширился и был вытеснен из бутылки в атмосферу. Следовательно, в бутылке его оказалось меньше, поэтому и вес бутылки во второй раз стал меньшим. Таким образом Галилеи установил, что воздух имеет вес, но весит он меньше воды, и новый насос, больший, чем предшествовавшие, не работал только потому, что вес наружного воздуха не уравновешивал слишком высокого столба воды.

Несомненно, правильнее второй вариант дошедшего до нас рассказа, так как известно, что Галилей уже раньше делал подобные расчеты. Он объяснил силу, уравновешивающую давление воздуха «силой пустоты» В те времена существовало мнение, что природа «боится пустоты», и как только где-либо пустота образуется, природа ее тотчас заполняет. Но при этом оставалось необъяснимым то, что эта «боязнь пустоты» прекращалась выше 10 метров. Следовательно, загадка так и не была разрешена полностью.

Ученик Галилея Торричелли продолжал исследование вопроса и произвел ряд опытов, которые позволили ему надежно доказать, что воздух имеет вес, и привели его в 1643 году к изобретению прибора, известного нам теперь под названием барометра. Торричелли наполнил ртутью закрытую с одного конца стеклянную трубку длиной 100 сантиметров и погрузил ее открытым концом в сосуд с ртутью. При этом ртуть из трубки вся не вылилась, но, немного опустившись, остановилась на уровне около 76 сантиметров; Торричелли сделал совершенно правильный вывод, что ртуть поддерживается в трубке весом наружного воздуха.

Давление воздуха на поверхность ртути в чашке уравновешивается давлением ртутного столба.

В течение нескольких лет выводы Торричелли не были подтверждены. Наконец, в 1647 году французский ученый Паскаль задумал окончательно выяснить этот вопрос. Он обратился к своему родственнику Перье, жившему в городе Клермон, у подножья горы Пью-де-Дом, с просьбой проделать необходимые наблюдения. Просьба Паскаля была выполнена 19 сентября 1648 года, и с этой даты то, что воздух имеет вес, перестало вызывать сомнения.

Уменьшение атмосферного давления с высотой. На каждом последующем; уровне длина расположенного выше столба воздуха укорачивается и величина  давления уменьшается

Уменьшение атмосферного давления с высотой. На каждом последующем; уровне длина расположенного выше столба воздуха укорачивается и величина давления уменьшается

Перье поступил так. Он заготовил две одинаковые трубки Торричелли и, измерив высоту ртутного столба в трубках у подножья горы, оставил одну из них на месте, а с другой поднялся на вершину. На высоте 975 метров он опять измерил высоту ртути в трубке. Оказалось, что на вершине она была на 8 миллиметров ниже, чем у подножья горы.

Изумленный полученным результатом, Перье много раз проверял свои измерения и, только окончательно убедившись в их правильности, спустился вниз. В находившейся внизу трубке ртуть осталась на прежнем уровне. На том же уровне она остановилась и в принесенной сверху трубке.

Таким образом, было окончательно доказано, что воздух имеет вес и поэтому в нижних слоях он давит с большей силой, чем вверху, где над головой наблюдателя остается меньшее его количество. Воздух давит на поверхность Земли с такой же силой, с какой давил бы слой воды толщиной в 10,3 метра. Вот почему насос герцога Тосканского, поднятый над уровнем воды выше 10 метров, не работал. Ртуть в 13,6 раза тяжелее воды. Поэтому она устанавливалась в трубке Торричелли на высоте около 76 сантиметров (76х13,6=1033,6 сантиметра). Давлением воздуха объясняется и действие медицинской банки, а также и то, что вода из перевернутого, но закрытого бумажкой стакана не выливается.

Мы не замечаем этого большого веса воздуха, так как человеческий организм приспособился к нему и чувствует себя нормально именно в этих условиях. Все внутренние органы человека наполнены воздухом, имеющим такое же давление, как и давление атмосферы у поверхности Земли вне нашего организма; это внутреннее давление уравновешивает внешнее. Поднимаясь высоко в горы или на самолете, человек сильно ощущает уменьшение с высотой давления воздуха (рис. 2) и переносит происходящее при этом его понижение только до известного предела, после которого наступает ощущение удушья или даже смерть.

Рыбы, живущие в океане на больших глубинах, приспособились к еще большему давлению, слагающемуся из веса атмосферы и веса огромной массы воды. Выловленные на больших глубинах и поднятые на поверхность моря, рыбы гибнут: их разрывает внутреннее давление, не уравновешиваемое внешним.

Почему же мы не ощущаем веса воздуха, когда поднимаем наполненное воздухом ведро? Да потому, что мы взвешиваем его в самом же воздухе. Подобно этому, опустив ведро в колодец и наполнив его водой, мы не ощущаем веса воды в ведре. Но достаточно приподнять ведро из воды в воздух, как сразу почувствуется его тяжесть.